Лабораторная работа № 5 Определение технологических свойств противопригарных покрытий

Цель работы: изучить влияние состава противопригарных покрытий на их технологические свойства.

Общие сведения

Одним из самых распространенных дефектов поверхности отливок является пригар, удаление которого значительно увеличивает трудоемкость операций обрубки и очистки. Пригар представляет собой продукт физико-химического взаимодействия на границе раздела расплавленного металла и материала формы, плотно удерживаемый на поверхности отливки и состоящий из зерен формовочного материала и цементирующего вещества. В зависимости от природы цементирующего вещества различают три вида пригара: 1) механический, в котором цементирующим веществом является металл, проникший в поры формы; 2) химический, в котором цементирующим веществом являются продукты взаимодействия оксидов металла и оксидов формовочных материалов; 3) термический, в котором цементирующим веществом являются легкоплавкие составляющие формовочных материалов.

Подобное разделение пригара является весьма условным, так как в реальных производственных условиях в пригарной корке всегда наблюдаются признаки всех вышеперечисленных видов.

Механический пригар образуется вследствие проникновения расплавленного металла в поры формы. Механизм образования данного вида пригара можно представить следующим образом. Подступая в форму жидкий металл соприкасается со стенками формы и охлаждается с поверхности, в результате чего на поверхности отливки образуется затвердевшая корочка, толщина которой зависит от температуры заливаемого металла, температуры и теплоаккумулирующей способности формы и некоторых других факторов. Если отливка сравнительно тонкостенная, то количество теплоты, выделяющейся при кристаллизации отливки, недостаточно для того, чтобы вновь расплавить первоначально образовавшуюся корку и обеспечить более длительный контакт жидкого металла со стенками формы. В этих условиях механический пригар образоваться не может. Если же в аналогичных условиях заливают толстостенную отливку, то образовавшаяся вначале корка вновь расплавляется под действием теплоты затвердевающей отливки и жидкий металл входит в контакт со стенками формы. Когда прилегающие к отливке слои формы нагреваются до температуры ликвидуса заливаемого сплава, проникновение неокисленного металла, при определенных условиях, становится возможным, что приводит к образованию механического пригара.

Химический пригар возникает в результате химического взаимодействия отливки и материалов литейной формы. Процесс образования химического пригара условно разделяется на три этапа: окисление поверхности металла, смачивание поверхности формы оксидами металла, образование соединений между оксидами металла и оксидами формы (образование промежуточного соединения пригарного слоя).

Термический пригар возникает вследствие оплавления материала формы под воздействием теплоты заливаемого металла и представляет собой спекшуюся массу формовочной или стержневой смеси на поверхности отливки.

Одним из средств предотвращения образования всех видов пригара на поверхности отливок является противопригарное покрытие – краска, которая наносится на формообразующую поверхность формы или стержня, препятствуя взаимодействию жидкого металла с материалом формы. В состав противопригарных красок входят: огнеупорный наполнитель, связующий материал, стабилизатор и антисептическое вещество.

Огнеупорный наполнитель должен отвечать следующим требованиям: достаточно высокая огнеупорность, неспособность смачиваться расплавом, химическая устойчивость при высоких температурах, инертность к расплаву и его оксидам и высокая дисперсность. В качестве огнеупорных наполнителей могут использоваться углеродные, минеральные и комплексные материалы. Из углеродистых материалов применяют графит аморфный и кристаллический, древесный и каменноугольный уголь, кокс. Из минеральных наполнителей – тальк, пирофиллит, хромит, хромомагнезит, шамот, маршалит, магнезит, циркон, дистен-силиманит, корунд и некоторые другие. Комплексные наполнители это композиционные материалы, содержащие минеральные и углеродистые составляющие, такие как тальк с графитом или коксом, пирофиллит с графитом и др.

Использование в составах противопригарных красок того или иного наполнителя зависит в первую очередь от вида сплава, заливаемого в форму и его температуры плавления. Для чугунов применяют углеродистые и комплексные материалы. Для углеродистых и легированных сталей, магнитных сплавов минеральные наполнители средней и высокой огнеупорности. Для алюминиевых сплавов – углеродистые и огнеупорные минеральные и комплексные наполнители.

Для обеспечения надежного сцепления красочного слоя с поверхностью формы или стержня в составах противопригарных красок используются связующие материалы. В качестве связующих компонентов применяют материалы органического происхождения (декстрин, ПВА, лигносульфонаты, фурановые смолы и др.), которые обеспечивают получение эластичных пленок при формировании противопригарных покрытий. Однако общим недостатком связующих этого класса является низкая термостойкость (до 500⁰С), что ограничивает их использование при изготовлении крупных чугунных и особенно стальных отливок. Поэтому, когда необходима повышенная термостойкость противопригарного покрытия, в качестве связующего следует применять неорганические или органоминеральные (кремнийорганические) пленкообразующие вещества.

Растворители противопригарных покрытий предназначены для создания дисперсной среды, в зависимости от вида которой все краски подразделяются на водные (растворитель - вода), которые требуют сушки, и самовысыхающие (органические растворитель – ацетон, спирт, бензин и др.), твердение которых происходит за счет быстрого испарения растворителя.

С целью равномерного распределения огнеупорного наполнителя по всему объему в состав противопригарных красок в обязательном порядке вводятся стабилизаторы – материалы, способные образовывать пространственную структуру в дисперсной среде. В качестве стабилизатора используют бентонитовую глину, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), полиакриламид, крахмалит, поливиниловый спирт и др.

Для предотвращения протекания микробиологических процессов в водных красках с органическими связующими материалами в их состав вводятся добавки – антисептики. В качестве такой добавки обычно используется формалин.

Постановка работы

Приборы и материалы, используемые в работе: лабораторный миксер, весы с пределом взвешивания 500 г с погрешностью ±100 мг, прибор для определения прочности красочного слоя на истирание, вискозиметр ВЗ-4, набор денсиметров, мерный цилиндр емкостью 200 мл, химический стакан емкостью 1 л, шкаф сушильный с терморегулятором, пластины кварцевые, микрометр 0-25 мм, секундомер, огнеупорные наполнители, связующие, стабилизаторы, растворители.

Порядок выполнения работы

Приготовить противопригарную краску, состоящую из 40% (по массе) дистен-силлиманита, 2% бентонита, 6% ПВА и 52% воды. Порядок приготовления: в стеклянный стакан залить 260 мл воды и 30 г ПВА, поставить его на миксер и перемешивать в течение 2 минут. Затем при включенном миксере постепенно добавить 10 г глины и 200 г дистен-силлиманита. Время перемешивания 10 минут. Объем краски 450-500 мл.

Определить плотность краски с помощью денсиметров. Для этого приготовленную краску налить в стеклянный цилиндрический сосуд и опустить в него денсиметр так, чтобы он не касался стенок сосуда. Определить по делениям денсиметра величину плотности.

Определить условную вязкость противопригарного покрытия вискозиметром ВЗ-4. Для этого плотно закрыть выходные отверстия вискозиметра и заполнить его емкость краской. Открыть выходное отверстие вискозиметра и с помощью секундомера определить время истечения исследуемого материала из вискозиметра. За условную вязкость принимают время истечения краски сплошной струей.

Для определения прочности красочного слоя к истиранию на кварцевую пластину нанести исследуемую краску путем наливания ее на поверхность пластины, расположенной под углом 45⁰ к горизонту. Пластину, с нанесенным красочным слоем, поместить в сушильный шкаф и сушить при температуре 105-110⁰ С до полного высыхания красочного слоя. После охлаждения пластины с покрытием микрометром замерить толщину пластин с покрытием и толщину самой пластины. Рассчитать толщину красочного слоя.

Установить пластину с нанесенным покрытием на подставку 3 прибора для определения прочности красочного слоя к истиранию (рис.5.1) так, чтобы расстояние от выходного отверстия сопла воронки 1 до пластины 2 было 70 мм. Открыть сопло воронки, через которое песок фракцией 02 осыпается на пластину с покрытием до тех пор, пока покрытие в месте удара песка сотрется до стекла (диаметр прорыва – 2,0-2,5 мм), после чего закрыть сопло пробкой. Весь прошедший через сопло песок взвешивают и рассчитывают значение прочности красочного слоя к истиранию по формуле:

где m – масса песка, прошедшего через сопло, кг; h – толщина красочного слоя, мм.

Рис.5.1 Схема определения прочности противопригарных покрытий к истиранию

Седиментационную устойчивость краски определяют через 1 и 4 часа после ее приготовления, для чего ее наливают в мерный цилиндр (200 мл) и оставляют в покое на указанное время. По истечении времени измерить отстоявшийся слой растворителя, который и будет мерой седиментационной устойчивости.

Результаты работы занести в таблицу.

Содержание отчета

По законченной работе оформить отчет, в котором должно быть отражено следующее:

1. Название работы

2. Цель работы

3. Краткая теоретическая часть

4. Методика проведения работы

5. Результаты работы

6. Выводы по работе

Вопросы для контроля

1. Что такое пригар?

2. Какие виды пригара могут образовываться на поверхности отливок?

3. Механизмы образования пригара.

4. Меры предотвращения образования пригара.

5. Что входит в состав противопригарных красок?

6. Каким свойствам должен отвечать огнеупорный наполнитель?

7. Разновидность огнеупорных наполнителей.

8. Роль связующего материала в краске и его разновидности.

9. Свойства краски и методики их определения.